Ako rýchlo sa šíri svetlo vo vákuu

Rýchlosť svetla vo vákuu je indikátor, ktorý je vo fyzike široko používaný a svojho času umožnil urobiť množstvo objavov, ako aj vysvetliť podstatu mnohých javov. Existuje niekoľko dôležitých bodov, ktoré je potrebné preštudovať, aby sme porozumeli téme a pochopili, ako a za akých podmienok bol tento ukazovateľ objavený.

Aká je rýchlosť svetla

Rýchlosť šírenia svetla vo vákuu sa považuje za absolútnu hodnotu, ktorá odráža rýchlosť šírenia elektromagnetického žiarenia. Je široko používaný vo fyzike a má označenie vo forme malého latinského písmena „s“ (hovorí „tse“).

Vo vákuu sa rýchlosť svetla používa na určenie rýchlosti pohybu rôznych častíc.

Podľa väčšiny výskumníkov a vedcov je rýchlosť svetla vo vákuu maximálnou možnou rýchlosťou pohybu častíc a šírenia rôznych druhov žiarenia.

Pokiaľ ide o príklady javov, sú to:

1. Viditeľné svetlo z akéhokoľvek zdroj.
2. Všetky typy elektromagnetického žiarenia (ako sú röntgenové lúče a rádiové vlny).
3. Gravitačné vlny (tu sa názory niektorých odborníkov rozchádzajú).

Mnoho druhov častíc sa môže pohybovať blízko rýchlosti svetla, ale nikdy ju nedosiahne.

Presná hodnota rýchlosti svetla

Vedci sa dlhé roky pokúšali určiť, aká je rýchlosť svetla, no presné merania sa uskutočnili v 70. rokoch minulého storočia. Nakoniec ukazovateľ bol 299 792 458 m/s s maximálnou odchýlkou ​​+/-1,2 m. Dnes je to nemenná fyzikálna jednotka, keďže vzdialenosť v metre je 1/299 792 458 sekundy, toľko trvá, kým svetlo vo vákuu prejde 100 cm.

Vedecké vzorec na určenie rýchlosti svetla.

Pre zjednodušenie výpočtov, indikátor je zjednodušený na 300 000 000 m/s (3×108 m/s). Pozná to každý na kurze fyziky v škole, práve tam sa v tejto podobe meria rýchlosť.

Základná úloha rýchlosti svetla vo fyzike

Tento ukazovateľ je jedným z hlavných, bez ohľadu na to, ktorý referenčný systém sa v štúdii používa. Nezávisí od pohybu zdroja vĺn, čo je tiež dôležité.

Invarianciu predpokladal Albert Einstein v roku 1905. Stalo sa tak po tom, čo ďalší vedec Maxwell, ktorý nenašiel dôkazy o existencii svietivého éteru, predložil teóriu o elektromagnetizme.

Tvrdenie, že kauzálny účinok nemožno prenášať rýchlosťou presahujúcou rýchlosť svetla, sa dnes považuje za celkom rozumné.

Mimochodom! Fyzici nepopierajú, že niektoré častice sa môžu pohybovať rýchlosťou presahujúcou uvažovaný indikátor. Nemožno ich však použiť na prenos informácií.

Historické referencie

Aby sme pochopili vlastnosti témy a zistili, ako boli určité javy objavené, mali by sme študovať experimenty niektorých vedcov. V 19. storočí prišlo k mnohým objavom, ktoré neskôr pomohli vedcom, týkali sa najmä elektrického prúdu a javov magnetickej a elektromagnetickej indukcie.

Experimenty Jamesa Maxwella

Fyzikov výskum potvrdil interakciu častíc na diaľku. Následne to umožnilo Wilhelmovi Weberovi vyvinúť novú teóriu elektromagnetizmu. Maxwell tiež jasne stanovil fenomén magnetických a elektrických polí a zistil, že sa môžu navzájom vytvárať a vytvárať elektromagnetické vlny. Bol to práve tento vedec, ktorý ako prvý začal používať označenie „s“, ktoré dodnes používajú fyzici na celom svete.

Vďaka tomu väčšina výskumníkov už vtedy začala hovoriť o elektromagnetickej povahe svetla. Maxwell pri štúdiu rýchlosti šírenia elektromagnetických vzruchov dospel k záveru, že tento ukazovateľ sa rovná rýchlosti svetla, svojho času bol touto skutočnosťou prekvapený.

Vďaka Maxwellovmu výskumu sa ukázalo, že svetlo, magnetizmus a elektrina nie sú samostatné pojmy. Tieto faktory spolu určujú povahu svetla, pretože ide o kombináciu magnetického a elektrického poľa, ktoré sa šíri v priestore.

Schéma šírenia elektromagnetických vĺn.

Michelson a jeho skúsenosti s dokazovaním absolútnosti rýchlosti svetla

Na začiatku minulého storočia väčšina vedcov používala Galileov princíp relativity, podľa ktorého sa verilo, že zákony mechaniky sa nemenia, bez ohľadu na to, ktorý referenčný rámec sa používa. Ale zároveň by sa podľa teórie mala meniť rýchlosť šírenia elektromagnetických vĺn, keď sa zdroj pohybuje. To bolo v rozpore s postulátmi Galilea aj Maxwellovou teóriou, čo bolo dôvodom na začatie výskumu.

V tom čase sa väčšina vedcov prikláňala k „teórii éteru“, podľa ktorej ukazovatele nezáviseli od rýchlosti jeho zdroja, hlavným určujúcim faktorom boli vlastnosti prostredia.

Michelson zistil, že rýchlosť svetla nezávisí od smeru merania.

Keďže sa Zem pohybuje vo vesmíre v určitom smere, rýchlosť svetla sa podľa zákona o sčítaní rýchlostí bude líšiť pri meraní v rôznych smeroch. Ale Michelson nenašiel žiadny rozdiel v šírení elektromagnetických vĺn, bez ohľadu na to, ktorým smerom boli merania vykonané.

Éterová teória nedokázala vysvetliť prítomnosť absolútnej hodnoty, čo ešte lepšie ukázalo jej omyl.

Špeciálna teória relativity Alberta Einsteina

Mladý vedec v tom čase predstavil teóriu, ktorá je v rozpore s predstavami väčšiny výskumníkov. Čas a priestor majú podľa nej také charakteristiky, ktoré zabezpečujú nemennosť rýchlosti svetla vo vákuu, bez ohľadu na zvolenú referenčnú sústavu. To vysvetlilo neúspešné Michelsonove experimenty, pretože rýchlosť šírenia svetla nezávisí od pohybu jeho zdroja.

[tds_council]Nepriamym potvrdením správnosti Einsteinovej teórie bola „relativita simultánnosti“, jej podstata je znázornená na obrázku.[/tds_council]

Príklad toho, ako poloha človeka ovplyvňuje jeho vnímanie šírenia svetla.

Ako sa predtým merala rýchlosť svetla?

Mnohí sa pokúšali určiť tento ukazovateľ, ale kvôli nízkej úrovni rozvoja vedy to bolo predtým problematické. Starovekí vedci teda verili, že rýchlosť svetla je nekonečná, ale neskôr mnohí výskumníci pochybovali o tomto postuláte, čo viedlo k niekoľkým pokusom o jeho určenie:

1. Galileo používal baterky. Na výpočet rýchlosti šírenia svetelných vĺn bol so svojím asistentom na kopcoch, ktorých vzdialenosť bola presne určená. Potom jeden z účastníkov lampáš otvoril, druhý musel urobiť to isté, len čo uvidel svetlo. Ale táto metóda nepriniesla výsledky kvôli vysokej rýchlosti šírenia vĺn a neschopnosti presne určiť časový interval.
2. Olaf Roemer, astronóm z Dánska, si pri pozorovaní Jupitera všimol rys. Keď boli Zem a Jupiter na svojich obežných dráhach v opačných bodoch, zatmenie Io (mesiac Jupitera) sa oneskorilo o 22 minút v porovnaní so samotnou planétou. Na základe toho usúdil, že rýchlosť šírenia svetelných vĺn nie je nekonečná a má limit. Podľa jeho výpočtov to bolo približne 220 000 km za sekundu.
   Určenie rýchlosti svetla podľa Roemera.
3. Približne v tom istom období objavil anglický astronóm James Bradley fenomén svetelnej aberácie, kedy v dôsledku pohybu Zeme okolo Slnka, ako aj v dôsledku rotácie okolo svojej osi, v dôsledku čoho sa poloha hviezd na oblohe a vzdialenosť k nim sa neustále mení.Vďaka týmto vlastnostiam hviezdy opisujú počas každého roka elipsu. Na základe výpočtov a pozorovaní astronóm vypočítal rýchlosť, bola to 308 000 km za sekundu.
   aberácia svetla
4. Louis Fizeau bol prvý, kto sa rozhodol určiť presný ukazovateľ pomocou laboratórneho experimentu. Sklo so zrkadlovým povrchom nainštaloval vo vzdialenosti 8633 m od zdroja, no keďže vzdialenosť je malá, nebolo možné vykonať presné časové výpočty. Potom vedec nastavil ozubené koleso, ktoré pravidelne pokrývalo svetlo zubami. Zmenou rýchlosti kolesa Fizeau určil, pri akej rýchlosti svetlo nestihlo prekĺznuť medzi zuby a vrátiť sa späť. Podľa jeho výpočtov bola rýchlosť 315-tisíc kilometrov za sekundu.
   Skúsenosti Louisa Fizeaua.

Meranie rýchlosti svetla

Dá sa to urobiť niekoľkými spôsobmi. Nestojí za to ich podrobne analyzovať, každý si bude vyžadovať samostatné preskúmanie. Preto je najjednoduchšie pochopiť odrody:

1. Astronomické merania. Tu sa najčastejšie používajú metódy Roemera a Bradleyho, pretože preukázali svoju účinnosť a vlastnosti vzduchu, vody a iné vlastnosti prostredia neovplyvňujú výkon. V podmienkach vesmírneho vákua sa presnosť merania zvyšuje.
2. dutinová rezonancia alebo dutinový efekt - tak sa nazýva fenomén nízkofrekvenčných stojatých magnetických vĺn, ktoré vznikajú medzi povrchom planéty a ionosférou. Pomocou špeciálnych vzorcov a údajov z meracích zariadení nie je ťažké vypočítať hodnotu rýchlosti častíc vo vzduchu.
3. Interferometria - súbor výskumných metód, pri ktorých vzniká viacero druhov vĺn.To má za následok interferenčný efekt, ktorý umožňuje vykonávať početné merania elektromagnetických aj akustických vibrácií.

Pomocou špeciálneho zariadenia je možné vykonávať merania bez použitia špeciálnych techník.

Je možná nadsvetelná rýchlosť?

Na základe teórie relativity nadbytok indikátora fyzikálnymi časticami porušuje princíp kauzality. Vďaka tomu je možné prenášať signály z budúcnosti do minulosti a naopak. Ale zároveň teória nepopiera, že môžu existovať častice, ktoré sa pohybujú rýchlejšie, pričom interagujú s bežnými látkami.

Tento typ častíc sa nazýva tachyóny. Čím rýchlejšie sa pohybujú, tým menej energie nesú.

Video lekcia: Fizeauov experiment. Meranie rýchlosti svetla. 11. ročník z fyziky.

Rýchlosť svetla vo vákuu je konštantná hodnota, na ktorej sú založené mnohé javy vo fyzike. Jeho definícia sa stala novým míľnikom vo vývoji vedy, keďže umožnila vysvetliť mnohé procesy a zjednodušila množstvo výpočtov.